книги из ГПНТБ / Электронные устройства релейной защиты и автоматики в системах тягового энергоснабжения

й/|Л. -ГТ- -П-

-и

ДВыход

Рис. 34. Диодные схемы Я, нагруженные на емкостную импульсно-потенциаль­ ную схему (а, е), и диаграмма образования помехи, зависящей от отклоне­ ния t/д (б)

помеха, максимальная величина которой At/a= f / HMaKc—t/д мин (в данном случае £/Д1—и я2) .

Устранить помеху можно, вводя обратное смещение выходного диода, причем Ucм^ |Д [ /д|. Влияние утечки при обратном смеще­ нии можно оценить на основании анализа работы широко исполь­ зуемой в устройствах железнодорожной автоматики и телемехани­ ки диодно-емкостной импульсно-потенциальной схемы «Запрет» (рис. 34, в). Так, при наличии отрицательного импульса на входе а и нулевого потенциала на входе б (несовпадение импульсов) по­ тенциал точки 1 будет определяться при / 06p=const соотношением

U1—R1/ обр .

Если после этого потенциал на входе а повысится (например, до t/a= 0), то на выходе возникает помеха с амплитудой Un= U i=

tin (0 = Un e CR« = / обр Ri e c\

Снижение или полное устранение этой помехи может быть обеспечено уменьшением R i и, как в предыдущей схеме, обратным смещением выходного диода. При этом амплитуда и длительность помехи на выходе будут соответственно

ЧТОбы UC3i> IoSpRl-

Помехи, вызванные конечной скоростью распространения сиг­ налов в логических схемах (помехи от «состязания» импульсов).

Наиболее часто такие помехи наблюдаются ца выходах диодных схем И и матричных дешифраторов, выполненных на них.

Например, при переключении счетчика (рис. 35) из 2-го поло­ жения в 3-е (момент времени ^i) вначале срабатывает триггер

60

Т1, в результате чего на некоторое время вновь образуется пер­ вая комбинация состояний триггеров (на диаграмме рис. 35, б об­ ведено штриховой линией). Поэтому на диодной схеме 1-го выхо­ да дешифратора появляется кратковременная помеха. Длитель­ ность ее зависит от скорости переключения триггеров счетчика и может достигать (рис. 35, ?)

Эта помеха по длительности может быть значительной (20— 100 мкс), особенно в случае применения помехоустойчивых триг­ геров с большим временем переключения.

Такие же помехи образуются и на остальных выходах дешиф­ ратора в других комбинациях состояния триггеров счетчика. Если, например, к выходам дешифратора подключены инверторы или транзисторные формирователи, управляющие триггерами, то по­ мехи вызовут их ложное срабатывание. Для подавления помехи в простейшем случае на выходе диодной схемы включают интегри­ рующую емкость.

Если число таких схем в устройстве сравнительно велико (на­ пример, сложный дешифратор), то более целесообразно приме­ нять специальные формирующие схемы, разрешающие работу

3)01 10 0!

61

дешифратора или диодных схем только после окончания переклю­ чения триггеров. Такие схемы легко выполнить на элементах транзисторной задержки. Если сигнал с дешифратора поступает на триггер, то вместо транзисторных формирователей на выходе дешифратора целесообразно применять емкостную формирующую схему ФС.

Напряжение на конденсаторе ФС при заряде импульсом поме­ хи от «состязания» импульсов, поступающей со схемы, изменяется по закону

где к < 2 — некоторый коэффициент;

UЛ— падение напряжения на выходном диоде схемы ФС.

помех можно также, применяя счетчики с ускоренным переносом

зультате падения напряжения в шинках при протекании постоян­

электромагнитных реле и др. Эти помехи приводят к повышению или понижению (на доли или единицы микросекунд) потенциалов шинок питания в некоторых точках схемы. Так как рабочие им­ пульсы могут иметь достаточно крутой фронт, то величина паде­ ния напряжения будет определяться не только активным, но и индуктивным сопротивлением шинок питания.

Наибольшее влияние оказывают помехи, вызывающие смеще­

то коллекторное напряжение в данной точке также понижается, а напряжение смещения возрастает. При таком изменении напря­ жений питания управляющие токи в базах открытых транзисторов уменьшаются, а токи смещения возрастают. Это может привести к кратковременному закрытию транзистора и сбою в работе схемы.

Смещение потенциала нулевой шинки в отдельных точках при­ водит также к изменению уровня сигнала 0 на выходах элементов,

62

подключенных к данным точкам схемы, по. отношению к другим элементам. Чтобы уменьшить такие помехи, необходимо увеличи­ вать сечение шинок питания. Для элементов, способных создавать подобные помехи, целесообразно выделять самостоятельные шин­ ки питания.

Из гистограммы распределения статической помехи в одной стойке аппаратуры «Марс», выполненной на модулях ДТЛ-62 (рис. 36), видно, что эта помеха также может достигать сущест­ венной величины и ее необходимо учитывать при расчетах.

Влияние импульсной помехи в цепи питания (—Ек) на работу схем покажем на примере одновибратора. При резком понижении коллекторного питания опрокидывающий конденсатор в одновибраторе начинает разряжаться, создавая на базе транзистора Т1 (рис. 37) положительный потенциал, равный £/помОдновибратор при этом ложно опрокидывается.

Для уменьшения влияния этой помехи в цепь коллектора тран­ зистора Т2 целесообразно включать диод. Тогда разряд конденса­ тора при помехе происходит по цепям Яб— обратное сопротивле­

Яб, основное падение напряжения, вызванное током разряда кон­ денсатора, происходит на диоде и потенциал базы транзистора из­

полностью исключить влияние помехи не удается.

Повысить помехоустойчивость можно также, включив допол­ нительный конденсатор Сос в цепь отрицательной обратной связи. Это увеличивает, однако, длительность пускового импульса одно­ вибратора. Аналогичная помеха может возникать в каскадах транзисторной задержки и других схемах.

Для повышения устойчивости схемы против помех в шинке с нулевым потенциалом и в шинке смещения целесообразно повы­ шать напряжение смещения, поскольку в этом случае относитель-

63

ное изменение напряжения смещения при то'й же помехе оказыва­ ется меньшим. Так, в устройствах ЭСТ-62 напряжение смещения выбрано равным 6В, вместо ЗВ в устройстве БСТ.

Любая помеха, даже если она и не вызывает нарушения рабо­ ты в нормальных условиях, снижает надежность схемы, так как уменьшает допустимые пределы изменения различных параметров схемы и приборов. Поэтому необходимо помеху уменьшать до воз­ можного минимума и при проектировании во всех элементарных схемах и узлах предусматривать запасы на помехоустойчивость.

§ 15. Помехи, вызванные коммутационными процессами в силовых аппаратах

Наибольшее влияние на работу различных электронных уст­ ройств, применяемых в системах управления электротяговым оборудованием электрифицированных железных дорог, оказывают

Такой импульс имеет пренебрежимо малую длительность т0. Пло­ щадь импульса при т0-н>-0

So = 7/ 0 ^0 = const.

Согласно прямому преобразованию Фурье спектральная плотность короткого импульса может быть представлена как

2±

импульсной помехи и нагрузку, в виде четырехполюсника с комп­ лексным коэффициентом передачи к (оо) и ограниченной полосой пропускания А®. Примем, что в пределах от ю = 0 до ю = оо коэф­ фициент передачи симметричен относительно ®0. Практически возможно бесчисленное множество характеристик /с(®) с эффек­

64

вует характеристике идеального фильтра и когда характеристика системы проводов соответствует характеристике простейшего оди­ ночного колебательного LC контура.

При прямоугольной характеристике

Максимальное значение f (t) имеет место при t — 0:

/(Омакс= /(0 )= 2Soк0 Л/.

Для характеристики, соответствующей одиночному контуру, сог­ ласно [8]

где / (Оок = 250 коА/эф е - 2Л^Эф <.

Таким .образом, на выходе системы проводов связи в общем слу­

Из последнего выражения следует, что амплитуда помехи не­ ограниченно возрастает при А/эф^-°°- Однако реальный импульс помехи, возникающий, например, при разрыве цепи с индуктив­ ностью, имеет конечную длительность, поэтому 5((o)=^const и амплитуда возрастает только до конечной величины.

чески рассмотренная зависимость (99) для амплитуды помехи спра­ ведлива лишь при эффективной полосе пропускания тракта Д /Эф<гСД/ ', когда S (ш) = const. При этом длительность импульса помехи tn =

дет tп = 10-5-у 10-8. В некоторых случаях при коммутации цепей с большими индуктивностями — < Д /Эф. При этом длительность на­

веденной помехи будет определяться лишь шириной спектра исход­ ного импульса помехи и может быть существенно больше, чем в

где L — индуктивность цепи;

к х— коэффициент, учитывающий потери энергии в цепях искрогашения и другие;

I — ток в цепи до коммутации.

Очевидно, что эта энергия равна энергии частотного спектра [см.

6 6

В связи с тем, что помеха содержит спектр очень высокой ча­ стоты (десятки и более мГц) многие даже скоростные переключа­ ющиеся схемы реагируют не на амплитуду, а на среднее значение помехи.

Так, если в рассмотренной модели помеха представляет собой убывающее по амплитуде гармоническое колебание с наи­ большей амплитудой в момент возникновения, то ее среднее зна­ чение на любом конечном интервале не равно нулю. Действи­ тельно:

/ ( 0 = / (Оманее~2ЛПф‘Sin ш0Ш =

устойчивости являются такие, которые уменьшают относительную ширину полосы пропускания тракта помехи АГ3ф>не вызывая за­

медления срабатывания элементов. Например, устанавливают фильтры в шинках питания.

В тех случаях, когда циркуляция помехи и сигналов происхо­ дит по одним и тем же цепям, это в полной мере осуществить не­ возможно. Тогда целесообразно применять способы, в большей степени уменьшающие ширину полосы пропускания помехи A и

в меньшей увеличивающие время срабатывания (от последнего за­ висит интервал усреднения т).

Наиболее простой способ — установка шунтирующих конден­ саторов, которые, ограничивая верхнюю часть спектра помехи, уменьшают А/*ф; одновременно происходит некоторое увеличение

времени срабатывания элемента.

Возможны схемы, в которых (при прочих равных условиях) конденсатор одной и той же емкости вызывает большее либо меньшее замедление схемы на срабатывание: например, схемы с диодными связями по отношению к схемам с резисторными связя­ ми. Установка конденсатора, шунтирующего коллекторный пере­ ход, как будет показано ниже в схемах с диодными связями, вызывает меньшее замедление срабатывания, чем в схемах с резщ сторными связями. .

Для защиты от помехи, поступающей на коллектор, эффектив­ ным является также уменьшение выходного сопротивления при открытом и особенно при закрытом транзисторе.

При открытом транзисторе необходимо увеличивать степень насыщения, при закрытом —уменьшать коллекторное соиротивле: ние либо применять в цепи RK2 транзистор Т3, управляемый в про­ тивофазе по отношению к основному (рис. 38). Это повышает бы­ стродействие схемы при установке конденсатора, кроме того, уве­ личивает нагрузку на выходе цепи помехи, тем самым снижая ее амплитуду.

68

§ 16. Экспериментальные исследования коммутационных помех и защиты от них

Исследование реальных помех показало, что они несколько от­ личаются от рассмотренной математической модели. Прежде всего импульсные помехи носят не одиночный, а групповой характер (пакет помех). Это вызвано многократными пробоями (свойствами искры) воздушного промежутка при разрыве контакта, дребезгом контактов, а также волновым характером процессов в реальных соединительных проводах, наличием отраженных волн и др.

Осциллограмма рис. 39, снятая со скоростного электронного осциллографа с полосой пропускания до 60 мГц при коммутации

Длительность отдельных импульсов составляет несколько микросе­ кунд. Общая длительность достигает 200—300 мкс. Амплитуда по­ мехи на нагрузке линии 1—10 кОм составляет 200—300В (при дли­ не линии несколько метров). Как амплитуда, так и длительность помехи сильно зависят от скорости разрыва цепи.

При коммутации широко применяемых в электротяговых уст­ ройствах железных дорог реле КДР длительность пакета импуль­ сов помехи достигает 1 мс, а амплитуда 1000В. Частота заполне­ ния огибающей мо = 106-у108 Гц, вследствие этого помеха имеет высокую проникающую способность. Наблюдать ее во многих слу­ чаях невозможно, так как исследуемая помеха может непосредст­ венно воздействовать на осциллограф (либо другой прибор) даже при отключенной исследуемой цепи и, кроме того, при подклю­ чении осциллографа изменяются параметры цепи относительно земли и, следовательно, характер помехи.

Для проведения статистических исследований импульсных по­ мех был разработан метод эквивалентного воздействия. При этом реальная помеха сложной формы представляется эквивалентным

69